Основные сведения о  кристаллографии

В результате различных физико-химических процессов, про­текающих в недрах Земли и на ее поверхности, образуются природные химические соединения — минералы. Они встреча­ются в природе в двух состояниях: кристаллическом и аморфном.

В аморфных веществах отсутствует строгая законо­мерность в расположении молекул, атомов и ионов. В связи с этим они изотропны, не могут самоограняться и не обладают симметрией (например, стекло, пластмасса, клей, смола и дру­гие вещества). Аморфные вещества не устойчивы и со време­нем кристаллизуются.

Кристалл — это природное тело, естественная многогран­ная форма которого обусловлена особенностями внутреннего строения. Наука, изучающая условия образования, особенности строения и состава, свойства кристаллов и кристаллических веществ, называется кристаллографией.

Кристаллы широко распространены в природе. Они слагают разнообразные горные породы. Многие вещества, окружающие нас (поваренная соль, сахар, различные химикалии, металлы идр.), также имеют кристаллическое строение.

Молекулы (атомы, ионы) в кристаллах размещаются не хаотично, а в определенном строгом порядке — параллельными рядами, причем расстояния между ними в рядах одинаковы. Эта закономерность в строении кристаллов выражается гео­метрически в виде пространственной решетки, которая является как бы скелетом вещества (рис. 16).

Пространственную решетку можно представить в виде бес­конечно большого количества одинаковых по форме и размеру параллелепипедов, передвинутых один относительно другого и сложенных так, что они выполняют пространство без проме­жутков. Вершины параллелепипедов, в которых находятся атомы, ионы или молекулы, называются узлами пространст­венной решетки, а прямые линии, проведенные через них,— ря­дами решетки.

Упорядоченное внутреннее строение кристаллических ве­ществ обусловливает их основные свойства: анизотропность, способность самоограняться и тип симметрии.

Анизотропность (т.е. неравносвойственность) обусловлена одинаковыми расстояниями между атомами, ионами, илимолекулами в параллельных направлениях и неодинако­выми—в непараллельных. В результате одно и то же физи­ческое свойство кристаллического вещества изменяется по значению показателей в разных направлениях. Характерным при­мером являются слюды: мусковит и биотит. Кристаллические пластинки этих минералов легко расщепляются по плоскостям, параллельным пластинчатости. В поперечных направлениях рас­щепить пластинку слюды значительно труднее.

Изотропные тела обладают одинаковыми свойствами во всех направлениях.

Способность самоограняться. Поверхности кри­сталлов ограничиваются плоскостями, которые называются гра­нями. Места соединения граней называются ребрами, точки пересечения которых называются вершинами.

 

Рис 15. Пространственнаярешетка                                       Рис 16. Кристаллы поваренной соли

                                                                                                                                                                   (I) и магнетита (2).

                                                                                                                                                                         а — грани; б — ребра; в —вершина

 

Во многих случаях кристаллы веществ не имеют ясно выраженной формы, но при свободном росте они принимают вид правиль­ных многогранников.

Симметрия - закономерная повторяемость в простран­стве одинаковых частей тела или фигуры (углов, граней, ре­бер), а также зеркальное равенство их частей (одни части кри­сталла как бы являются зеркальным отражением других). Это свойство обусловлено закономерностью внутреннего строения кристаллов. Симметрия кристаллов выявляется при помощи во­ображаемых образов, называемых элементами симмет­рии: плоскостей, прямых линий, точек. Все кристаллы явля­ются телами симметричными.

Закон постоянства углов. В любом кристаллическом много­граннике угол между двумя пересекающимися гранями назы­вается гранным углом. В зависимости от поступления пи­тающего раствора размер, величина, число и форма граней в кристалле одного и того же вещества могут меняться за счет неодинаковой скорости роста разных граней. Так, в процессе роста одни грани получают преимущественное развитие, а дру­гие могут совсем исчезнуть. Исчезают грани, обладающие боль­шей скоростью роста. Таким образом облик растущего кри­сталла может совершенно измениться, но гранные углы остаются неизменными. В этом заключается один из основных зако­нов кристаллообразования — закон постоянства гранных углов, который формулируется следующим образом: углы между соот­ветственными гранями во всех кристаллах одного и того же ве­щества при одинаковых условиях давления и температуры по­стоянны.

Измерение гранных углов кристаллов различных минералов имеет большое значение при их диагностике. Приборы, с по­мощью которых устанавливается величина гранных углов, назы­ваются гониометрами. Самый простой гониометр, употреб­ляемый для приблизительных изме­рений гранных углов, называется прикладным гониометром (рис. 17). Для точных измерений углов и для мелких кристаллов применяют от­ражательные гониометры.

Симметрия кристаллов. При вращении большинства кристаллов вокруг какой-либо оси наблюдается закономерная повторяемость оди­наковых углов, граней, ребер, а также зеркальное равенство час­тей фигуры (одни части кристаллов как бы зеркально отражают дру­гие). Это свойство обусловлено за­кономерностью внутреннего строе­ния кристаллов.

 

 

                                                                                                        

                                                                                                                  

                                                                                                               Рис 17

 

Принято различать следующие элементы симметрии: плос­кости (Р), оси (L), центр симметрии (С).                                                         

Плоскость симметрии (Р) — мысленно проведенная плоскость, которая делит кристалл на две равные части, причем одна из них как бы зеркально отражает другую.      

.Цифра перед буквой «Р» показывает число плоскостей симметрии кристалли­ческого многогранника. В кристалле может быть от одной до девяти плоскостей симметрии, но многие кристаллы вообще не имеют ни одной плоскости симметрии.

Ось симметрии (X) — прямая линия, при вращении во­круг которой на 360° кристалл несколько раз повторяет свое начальное положение в пространстве. Число повторений началь­ного положения кристалла при вращении вокруг оси симметрии называется ее порядком. Порядок оси можно узнать, разделив 360° на величину угла, на который надо повернуть фигуру, чтобы повторилось ее начальное положение в пространстве. Например, углы поворота фигуры: 180, 120, 90, 60°. Этим углам соответ­ствуют оси симметрии:

360 / 180 = 2 – ось второго порядка (L2);

360 / 120 = 3 – ось третьего порядка (L3);

360 / 90 = 4 – ось четвертого порядка (L4);

360 / 60 = 6 – ось шестого порядка (L6).

В одном и том же кристалле может быть несколько осей сим­метрии одного порядка или разных порядков.

Центр симметрии (С) — это точка внутри кристалла, от которой на одинаковых расстояниях в диаметрально-противо­положных направлениях располагаются одинаковые части фи­гуры. Внешним выражением наличия центра симметрии в кри­сталле является присутствие параллельных граней и ребер. Не­которые кристаллы не имеют центра симметрии.

Плоскость, ось и центр симметрии находятся в кристаллах во взаимной связи и сочетания их весьма ограничены. Возможны только 32 комбинации элементов симметрии. Каждая комби­нация соответствует определенным кристаллографическим клас­сам или видам симметрии. Кристаллографические классы (виды симметрии) объединяются в семь групп — сингоний («синго­ния» по гречески — сходноугольность): триклинная, моноклинная, ромбическая, тригональная, гексональная, тетрагональная (квадратная), кубическая.

Триклинная, моноклинная и ромбическая сингонии называ­ются низшими, так как они не имеют осей симметрии выше второго порядка (L2)Тригональная, гексагональная и тетраго­нальная сингонии называются средними; наряду с осями симметрии второго порядка они имеют одну ось симметрии выс­шего порядка, соответственно L₃, L₆, L₄. Кубическая сингония характеризуется несколькими осями симметрии высшего по­рядка (Х₃, Li ) и является высшей сингонией.

Соотношение элементов симметрии, характеризующих кри­сталлы определенной сингонии, выражается формулой. Форму­лы, отражающие наиболее полное развитие элементов симметриив кристаллах каждой сингонии, приведены в табл. 3.

Таблица 3

Характеристика кристаллографических сингоний

 

Категория сингонии	Сингония	Характерные элементы. сингонии
Низшая	Триклинная Моноклинная Ромбическая	С L2PC 3L23PC
Средняя	Тригональная Гексагональная Тетрагональная	L33L23PC L66L27PC L44L25PC
Высшая	Кубическая	4L33L46L29PC

 

Внешняя форма кристаллов. Под формой кристаллов пони­мают совокупность всех его граней. Различают простые формы и комбинации. Если все грани кристаллов неразрывно связаны между собой элементами симметрии, получается простая форма (табл. 4, рис. 20—22).

Довольно часто в одном кристалле могут присутствовать одна, две или несколько простых форм. Закономерное сочетание нескольких простых форм на кристалле называется комбина­цией. Сколько видов граней различается на равно­мерно развитом кристалле, столько простых форм составляют комбинацию.

Внешняя форма кристаллов является важным диагностиче­ским свойством, так как каждому минералу присущи те или иные внешние ограничения. Однако в природных условиях в за­висимости от среды, в которой растет кристалл, большинство из них кажутся несимметричными. Для того чтобы обнаружить симметрию кристалла, необходимо замерить его гранные углы.

 

 

Рис 18.  Простейшие формы средних сингоний.

1 - 3 — призмы (1 - тригональная, 2 — тетрагональная, 3 — гексагональная); 4—6 — пира­миды

(4 — тригональная, 5 — тетрагональная, 6 — гексагональная); 7—9 — дипирамиды

(7 — тригональная, 8 — тетрагональная, 9 — гексагональная); 10 — ромбоэдр; 11— скаленоэдр

Рис 19. Простейшие формы высшей сингонии.

1 - тетраэдр; 2 — куб; 3 — октаэдр; 4 — ромбо-додекаэдр; 5 - пентагон-додекаэдр

Простейшие формы кристаллов

 

Категория сингонии	Формы кристаллов
Низшая	Моноэдр, диэдр, ромбическая призма, ромбический тетра­эдр, ромбическая пирамида, ромбическая дипирамида
Средняя	Призмы: гексагональные, тетрагональные, тригональные; пирамиды и бипирамнды; гексагональные, тетрагональные, тригональные; ромбоэдр и др.
Высшая	Куб, октаэдр, тетраэдр, ромбо-додекаэдр, пентагон-доде каэдр и др.

 

 

Рис 20. Образование комбинации простых форм у кристалла циркона.

а — тетрагональная призма;

р - тетраго­нальная дипирамида

 

Большая часть минералов, распространенных в земной коре, обладает кристаллическим строением. Базируясь на основах кристаллографии, минералогия изучает внешнюю форму мине­ральных индивидов (кристаллов), их зарождение, рост и зако­номерности срастаний.

Образование минералов в природе и их физические свойства

Основы минералогии

Минералы — это однородные по составу и строению природ­ные вещества (химические соединения или самородные эле­менты), образовавшиеся в результате физико-химических про­цессов, протекающих внутри земной коры или на ее поверх­ности.

Большая часть минералов в природе находится в твердом со­стоянии; известны также жидкие минералы (ртуть, вода и др.) и газообразные (сероводород, метан и др.)- Химический состав минералов отражается химической формулой.

Все горные породы, слагающие земную кору, состоят из ми­нералов. Известно около 2000 минералов, из них только 450 ви­дов широко распространены; остальные встречаются редко. Размеры минеральных индивидов различны — от огромных масс в несколько тонн (кварц и др.) до мельчайших зернышек, ви­димых только в микроскоп. Большинство минералов имеет кри­сталлическое строение, но они могут быть и аморфные. Изуче­нием минералов занимается специальная наука — минералогия, которая изучает формы выделения минералов, их физические и химические свойства, внутреннюю структуру, происхождение и закономерности распространения в природе.

Минералы имеют важное значение в народном хозяйстве. Они используются для получения различных металлов: железа (магнетит, гематит), свинца (галенит), цинка (сфалерит) и др.; для изготовления сельскохозяйственных удобрений (апатит, фосфорит, сильвинит и др.), строительных материалов (кальцит, каолин, кварц и др.) и т. д. Многие минералы являются валют­ным фондом (золото, серебро, алмазы, различные драгоценные камни).

 

Процессы образования минералов в природе

Минералы образуются из газообразных, жидких и твердых веществ.        Кристаллизация — переход из жидкого состояния в кристаллическое — может происходить из расплава или из раствора. Кристаллизационная способность у различных ве­ществ неодинакова. Она определяется числом центров кристал­лизации, образующихся за единицу времени в единице объема, и скоростью роста кристалла. При большей скорости образо­вания центров кристаллизации возникает много мелких кристал­лов, при малом количестве центров возникают крупные кри­сталлы.

Иногда встречаются так называемые зональные кристаллы. Зональное строение их обусловлено перерывами в кристаллиза­ции или какими-либо примесями, которые попали в раствор в момент кристаллизации.

Процессы минералообразования подразделяются на эндоген­ные и экзогенные.

Образование минералов эндогенного происхождения связано с разнообразными процессами магматической и постмагматиче­ской деятельности.

Магматический процесс — минералы возникают при кристаллизации магматического расплава на больших и средних глубинах. Так возникли все минералы, слагающие изверженные породы: оливин, пироксены, роговая обманка, полевые шпаты и т. д., а также некоторые соединения хрома, никеля, меди, же­леза и др. Кроме того, ряд минералов (сера, квасцы) образу­ется как продукт возгонки (сублимации) при вулканическом процессе.

Пегматитовый процесс — минералы образуются из остаточного магматического расплава, обогащенного газами.

Пегматиты — жильные тела с крупными кристаллами. Глав­ными минералами являются полевые шпаты, кварц, слюды, тур­малин, берилл, касситерит, минералы редких земель и др.

Пневматолитический процесс, или пневма­толиз — образование минералов из газов, выделяющихся из магмы. Различают вулканический и глубинный пневматолиз. Среди минералов вулканического происхождения наиболее часто встречается самородная сера (Камчатка, Курильские острова). В условиях глубинного пневматолиза возникают слюды, топаз, турмалин, аквамарин, флюорит, рутил и другие минералы, а также формируются месторождения железа, вольфрама, меди, цинка.

Гидротермальный процесс. Горячие водные ра­створы, отделяющиеся от магмы, выносят из магматического очага, а также из боковых пород, по которым они движется, целый ряд соединений металлов. С этим процессом связано фор­мирование жил с вольфрамитом, касситеритом, молибденитом, сульфидами меди, золота, свинца и цинка, серебра, сурьмы, ртути и др.

Минералы экзогенного происхождения образуются вблизи и на поверхности Земли при участии воды, кислорода воздуха, углекислоты и жизнедеятельности организмов. Под их влиянием первичные минералы, образовавшиеся из магмы и ее летучих продуктов, подвергаются механическим, химическим и физико-химическим преобразованиям и в результате образуются новые минералы, устойчивые для условий земной поверхности.

Выветривание. Продукты механического разрушения и химического разложения горных пород формируют коры вы­ветривания, образованные многочисленными минералами вто­ричного происхождения. При выветривании образуются боксит, каолинит, месторождения которых нередко достигают крупных размеров.

В результате окисления гидротермальных рудных жил с боль­шим содержанием сернистых минералов (пирит, халькопирит, галенит, сфалерит и др.) возникают новые минералы в виде окислов, гидратов окислов и солей — бурый железняк, малахит, куприт и др.

Осадочный процесс. В ходе этого процесса проис­ходит переотложение продуктов физического и химического вы­ветривания минералов и горных пород и образование новых ми­нералов. Последние могут выпадать из пересыщенных растворов (галит, карналит, сильвинит, кальцит и др.), являться продук­тами жизнедеятельности животных и растений (селитры, само­родная сера, кальцит и др.) и формироваться при преобразо­вании осадка (пирит, глауконит и др.).

Метаморфогенные процессы связаны со сложными физико-химическими изменениями состава и структуры пород и мине­ралов, попадающих в глубокие зоны земной коры. В условиях высоких температур и давлений в ходе общего медленного про­грева на больших площадях происходит перекристаллизация пород, возникают новые минералы. Метаморфогенные изменения происходят и в результате контактового воздействия магмати­ческих расплавов на вмещающие породы. Особенно разнообраз­ный комплекс минералов возникает при воздействии магмы на известняки. В результате возникает порода — скарн, которая содержит кристаллы гранатов, пироксенов, флогопита и т. д.

Космогенные минералы являются составными частями ка­менных и железных метеоритов и пород Луны. Каменные метео­риты по минеральному составу близки к земным изверженным основным и ультраосновным породам. Железные метеориты не похожи на горные породы и состоят из самородного никелистого железа, в котором содержится в среднем около 10% никеля.

По данным Е. К. Лазаренко, в составе метеоритов установ­лено 64 минерала, большинство из них встречается в земных горных породах. Минералы метеоритов и лунных пород имеют несколько иные химические и физические признаки и морфоло­гию (внешний вид) кристаллов, чем минералы изверженных пород Земли.

Парагенетические ассоциации минералов. Это группы мине­ралов, характеризующихся совместным нахождением в природе в результате единого процесса минералообразования. Знание парагенетических ассоциаций минералов помогает ориентиро­ваться в их происхождении, позволяет обосновать вероятное на­личие минералов, не обнаруженных на месторождении, но ха­рактерных для данного парагенезиса. Понятие о парагенезисах широко используется при поисках полезных ископаемых. Напри­мер, коренное золото обычно встречается в жилах, заполненных молочно-белым кварцем.

Особый случай представляет совместное нахождение первич­ных минералов с образовавшимися за их счет вторичными; на­пример, халькопирита и других сульфидов меди с продуктами их выветривания в виде малахита, куприта и т. д.

Искусственные минералы. В настоящее время известно много способов получения искусственных минералов из растворов и расплавов. Важное значение имеет получение искусственных технических и драгоценных камней и твердых сплавов: пьезо­кварца, карборунда, рубина, алмаза, сапфира и др.

Формы выделения минералов. Формы выделения минералов зависят от их химического состава и условий образований. Сво­бодно и медленно растущие -минералы приобретают форму пра­вильных кристаллов и их можно узнавать по внешнему виду. Какие-либо помехи в кристаллизации приводят иногда к самой необычной для данного минерала форме кристаллов. Последние могут быть деформированы или образовывать зако­номерные срастания кристаллов. Например, минерал гипс об­разует двойники «ласточкин хвост» (рис. 21).

Минералы редко встречаются поодиночке, чаще они обра­зуют скопления минеральных зерен, называемые минераль­ными агрегатами. К наиболее характерным агрегатам относятся друзы, секреции, конкреции, оолиты, дендриты, натечные, зернистые и землистые формы.

Друзы — незакономерные сростки кристаллов, нарастающие на общем ос­новании в виде щетки (рис. 22).

  Рис 21.

Секреции — отложения минераль­ного вещества в полостях горных пород от периферии к центру. Обычно они имеют овальную форму. Среди секреций различают минда­лины — секреции небольших размеров (до 10 мм в поперечнике) и жеоды — крупные, частично выполненные пустоты.

Оолиты — более или менее пра­вильные

 Шарообразные  агрегаты разме­ром от просяного

 до бобового  зерна. В разрезе они имеют

 концентрически-скорлуповатое строение:

 отдельные слои нарастают вокруг какого-либо

 центра (песчинки, осколка, раковины и т. п.).                        

Чаще всего оолиты бывают сцементи­рованы                                  Рис 22.

друг с другом в горную породу.

Конкреции — имеют более или ме­нее округлую форму и являются ре­зультатом отложения минерального ве­щества вокруг какого-либо центра кри­сталлизации. Строение конкреции часто бывает радиально-лучистым, концентри­ческим, скорлуповатым

 

 

Рис 23

 

Дендриты — имеют ветвящееся древовидное строение и похожи на отпечатки растений (папоротников). Образуются при быстром росте кристаллов в тонких волосяных трещинах.

Натечные — образуются в пустотах путем выпадения из медленно испаряющихся растворов. Они, имеют различную форму: почковидную, гроздевидную с гладкой блестящей поверх­ностью (характерны для малахита и халцедона), а также не­правильно цилиндрическую форму — сталактиты и сталагмиты.

Зернистые агрегаты — скопления неправильно срос­шихся зерен одного или нескольких минералов. Они образуются при одновременной кристаллизации большого количества мине­ралов из расплава или перекристаллизации. Кристаллы, растущие каждый из своего центра кристаллизации, сталкиваются друг с другом, и контакты между растущими со­седними кристаллами ограничивают их даль­нейший рост. Так образуется зернистое строе­ние большинства изверженных горных пород.

Землистые агрегаты — напоминают куски рыхлой почвы, составные части которой слабо связаны между собой. Они обычно пач­кают руки, легко распадаются на мелкие ко­мочки, состоящие из мельчайших зернышек. Землистые агрегаты характерны для порошковатых рыхлых минералов и для осадоч­ных горных пород (бокситов, глин и др.).

Каждому минеральному веществу свойственна определенная форма кристалла. На этом в значительной степени основана диагностика минералов. Однако бывают случаи, когда один ми­нерал химически замещает другой, сохраняя его внешнюю форму. Например, в процессе окисления лимонит замещает пирит, сохраняя свойственную пириту кубическую форму выде­ления. В таком случае говорят о псевдоморфозе лимонита по пириту. Таким образом, под псевдоморфозами пони­мают минеральные образования, форма которых не 'соответ­ствует структуре данного минерала, т. е. является для него чужой.